分集接收原理全解.ppt

1、分集接收原理,學(xué)習(xí)內(nèi)容 分集技術(shù)的分類 幾種常用的顯分集技術(shù) 幾種常用的隱分集技術(shù) 分集合并技術(shù),主講人：陳家盛,分集接收技術(shù)是一項(xiàng)主要的抗衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性，其本質(zhì)就是采用兩種或兩種以上的不同方法接收同一信號(hào)以克服衰落，其作用是在不增加發(fā)射機(jī)功率或信道帶寬的情況下充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以提高系統(tǒng)的接收性能。,為說(shuō)明問(wèn)題，下圖給出了一種利用“選擇式”合并法進(jìn)行分集的示意圖。圖中，A與B代表兩個(gè)同一來(lái)源的獨(dú)立衰落信號(hào)。如果在任意時(shí)刻，接收機(jī)選用其中幅度大的一個(gè)信號(hào)， 則可得到合成信號(hào)如圖中C所示。由于在任一瞬間，兩個(gè)非相關(guān)的衰落信號(hào)同時(shí)處于深度衰落的概率是

2、極小的，因此合成信號(hào)C的衰落程度會(huì)明顯減小。不過(guò)，這里所說(shuō)的“非相關(guān)”條件是必不可少的，倘若兩個(gè)衰落信號(hào)同步起伏， 那么這種分集方法就不會(huì)有任何效果。,選擇式分集合并示意圖,基本思路是： 將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的（獨(dú)立的）多路信號(hào)，即選取了一個(gè)信號(hào)的兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的采樣，這些樣本的衰落是互不相關(guān)的，這意味著所有樣本同時(shí)低于一個(gè)給定電平的概率比任何一個(gè)樣本低于該值的概率要小得多；然后將這些信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來(lái)，使接收的有用信號(hào)能量最大。對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小，對(duì)模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。 分集有兩重含義： 一是分散傳輸， 使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同

3、一信息的衰落信號(hào)； 二是集中處理， 即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并(包括選擇與組合)以降低衰落的影響。,2.1.1 分集技術(shù)的分類,從信號(hào)傳輸?shù)姆绞絹?lái)看，分集技術(shù)分為顯分集和隱分集兩大類。其中顯分集指利用多副天線接收信號(hào)的分集，構(gòu)成明顯的分集信號(hào)的傳輸方式 ；隱分集只需一副天線來(lái)接收信號(hào)的分集，分集隱含在傳輸信號(hào)之中，在接收端利用信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分集接收 。,分集技術(shù),空間分集,頻率分集,分類圖如下所示：,2.1.2 幾種常用的顯分集技術(shù),在顯分集技術(shù)中又分為宏分集與微分集兩種形式。 宏分集（也稱為“多基站”分集）以減少由于陰影效應(yīng)而引起的大范圍慢衰落為目的，它的作法是把多個(gè)

4、基站設(shè)置在不同的地理位置和不同方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信（可以選用其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信） 。,顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落，用這種方法就能保證通信不會(huì)中斷。 分集數(shù)N越大，分集效果就越好，即分集增益正比于分集的數(shù)量，且分集增益的增加隨著的增加而逐步減小。 工程上要在性能或復(fù)雜性間作一折衷，一般取,微分集是以抗快衰落為目的，同一天線場(chǎng)地使用兩個(gè)或多個(gè)天線的分集方式。理論和實(shí)踐都表明，在空間、頻率、極化、場(chǎng)分量、角度及時(shí)間等方面分離的無(wú)線信號(hào)，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性，因此可采用空間分集、時(shí)間分集、頻率分集、極化分集、角

5、度分集和多徑分集等多種分集技術(shù)。,1.空間分集 空間分集在發(fā)送端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副間隔距離d/2（一般情況下市區(qū)取 /2，郊區(qū)取0.8 ）的天線接收，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的。經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)，從而降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線。,2.時(shí)間分集 快衰落除了具有空間和頻率獨(dú)立性之外，還具有時(shí)間獨(dú)立性，即同一信號(hào)以大于相干時(shí)間的時(shí)間間隔重復(fù)傳輸M次，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的

6、，即得到M條獨(dú)立的分集支路。 時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開(kāi)銷，降低了傳輸效率。,3.頻率分集 頻率分集就是將信息分別在不同的載頻上發(fā)射出去，要求載頻間的頻率間隔要大于信道相關(guān)帶寬，以保證各頻率分集信號(hào)在頻域上的獨(dú)立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號(hào).在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，可采用信號(hào)載波頻率跳變擴(kuò)展頻譜技術(shù)來(lái)達(dá)到頻率分集的目的。 和空間分集相比，頻率分集的優(yōu)點(diǎn)是減少了天線數(shù)目，缺點(diǎn)是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)送端需要多部發(fā)射機(jī)。,4.角度分集 當(dāng)工作頻率高于10GHz時(shí)，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的散射信號(hào)產(chǎn)生從不同方向來(lái)的互不相關(guān)的信號(hào)。

7、這樣接收端利用方向性天線，在同一位置設(shè)置指向不同方向的兩個(gè)或更多的有向天線，向合成器提供信號(hào)，以達(dá)到克服衰落的目的。,5.極化分集 極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，兩個(gè)在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出信號(hào)呈現(xiàn)出互不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在發(fā)送端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩幅發(fā)射天線，在接收端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩幅接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間，缺點(diǎn)是由于發(fā)射功率要分配到兩幅天線上，將有3dB的信號(hào)功率損失。,6.場(chǎng)分量分集 根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電磁波的E場(chǎng)和H場(chǎng)載有相同的消息，而反射機(jī)理是不同的，例如，一個(gè)散

8、射體反射E波和H波的駐波圖形相位相差90，即當(dāng)E波為最大時(shí)，H波最小。在移動(dòng)信道中。多個(gè)E波和H波疊加結(jié)果表明Ez、Hz和Hy的分量是互不相關(guān)的，因此，通過(guò)接收三個(gè)場(chǎng)分量，也可以獲得分集的效果。場(chǎng)分量分集不要求天線間有實(shí)體上的間隔，因此適用于較低的工作頻段（例如低于100MHz）。當(dāng)工作頻率較高時(shí)（800900MHz），空間分集在結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)。,7.多徑分集 移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)是一個(gè)多徑衰落信號(hào)。通常這一多徑衰落信號(hào)的時(shí)延差很小且是隨機(jī)的，對(duì)于窄帶系統(tǒng)(如模擬TACS、數(shù)字GSM系統(tǒng)），在同一地點(diǎn)，到達(dá)的各路信號(hào)是相關(guān)的，無(wú)法分離。 只有特定設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻信號(hào)才可以進(jìn)行分離，分離的手段是相關(guān)接收

9、。因此多徑分集也稱為碼分集它要求直擴(kuò)系統(tǒng)餓時(shí)間（T）與帶寬（W）的積遠(yuǎn)大于1，即TW1，,使用RAKE接收技術(shù)，利用偽隨機(jī)碼的相關(guān)性，對(duì)各路信號(hào)分別進(jìn)行相關(guān)接收，提出不同時(shí)延的相關(guān)峰，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲ龠M(jìn)行信息解調(diào)。從而既克服了多徑效應(yīng)的問(wèn)題，又等效增加了接收功率（或發(fā)射功率）。 一般的分集技術(shù)把多徑信號(hào)作為干擾來(lái)處理，而RAKE接收機(jī)采取變害為利，即利用多徑現(xiàn)象來(lái)增強(qiáng)信號(hào)。現(xiàn)以三條路徑為例簡(jiǎn)述RAKE接收機(jī)的工作原理，如下圖3-23所示。,圖3-32 移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)方框圖,基本原理如下： 移動(dòng)臺(tái)RAKE接收部分主要由相關(guān)器1 3、搜尋相關(guān)器和合并器等組成。 偽隨機(jī)碼調(diào)制過(guò)的信號(hào)由發(fā)端發(fā)射，

10、經(jīng)多條不同的路徑延時(shí)和損耗后與噪聲一起進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)過(guò)變頻、中頻放大和AD變換后，進(jìn)入RAKE接收部分。 該部分的搜尋相關(guān)器從到達(dá)的各路信號(hào)中找出三路最強(qiáng)的信號(hào)，并給出這三路信號(hào)中偽隨機(jī)碼的參考相位，使本地碼的三個(gè)發(fā)生器的輸出碼相位分別與這三路信號(hào)中的偽隨機(jī)碼同步，經(jīng)過(guò)各自解擴(kuò)，相關(guān)解調(diào)輸出同一信息的數(shù)據(jù)，經(jīng)相應(yīng)的合并后進(jìn)行譯碼。,由于每一個(gè)相關(guān)器都等效一個(gè)接收機(jī)，三個(gè)相關(guān)器等效三個(gè)接收機(jī)，其輸出經(jīng)合并后的信號(hào)的信噪比得到了很大的改善（一般平均有3dB的增益）。另外，搜尋相關(guān)器總是搜索和估計(jì)各路中最強(qiáng)的三個(gè)信號(hào)供其他三個(gè)相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，從而系統(tǒng)可以處于最佳的接收狀態(tài)。,2.1.3 幾種常用

11、的隱分集技術(shù),1、交織編碼技術(shù) 交織編碼的目的是把一個(gè)較長(zhǎng)的連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)的非連續(xù)差錯(cuò)，再用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼技術(shù)消除隨機(jī)差錯(cuò)。交織深度越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯(cuò)能力就越強(qiáng)，但處理時(shí)間也越長(zhǎng)，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增大，也就是說(shuō)，交織編碼是以時(shí)間為代價(jià)的。因此交織編碼屬于時(shí)間隱分集。,交織編碼技術(shù)舉例如下： 假設(shè)原始為1110011011001010101100101011，共計(jì)28位，按47矩陣排列，依次按行寫入發(fā)送矩陣。如圖2-3（a）所示。,圖2-3交織原理示意圖,假設(shè)由于某種干擾出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤，即使7個(gè)碼元中連續(xù)錯(cuò)兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)，接收端如果不采用交織編碼技術(shù)就不能正確恢復(fù)，出

12、現(xiàn)碼字錯(cuò)誤。為了提高糾錯(cuò)能力，在發(fā)端改變一下傳輸順序，即將圖2-3（a）中的數(shù)據(jù)用“橫寫豎讀”法寫入塊交織器，這時(shí)交織器的輸出就是按圖2-3（b）中的左面第一列1010，然后第二列l(wèi)l01。這樣，當(dāng)所傳輸?shù)拇a序列連續(xù)錯(cuò)4個(gè)碼元時(shí)，對(duì)應(yīng)的每個(gè)碼字只錯(cuò)一個(gè)，已將連續(xù)錯(cuò)碼分散開(kāi)來(lái)，即它將一個(gè)突發(fā)信道改造成一個(gè)隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)信道，通過(guò)分組碼糾錯(cuò)技術(shù)、可以糾正少量的差錯(cuò)，從而糾正了突發(fā)性的連續(xù)差錯(cuò)。,交織陣列的行、列數(shù)越多，抗干擾能力越強(qiáng)。但是，只有在接收端收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行糾檢錯(cuò)處理，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增大。所以在設(shè)計(jì)交織編碼陣列時(shí)，應(yīng)該統(tǒng)籌考慮。,2、跳頻技術(shù) 瑞利衰落與信號(hào)頻率有關(guān)，不同頻

13、率的信號(hào)遭受的衰落不同。當(dāng)兩個(gè)頻率相距足夠遠(yuǎn)時(shí)，可認(rèn)為它們的衰落是不相關(guān)的。通過(guò)跳頻，信號(hào)的所有突發(fā)脈沖不會(huì)被瑞利衰落以同一方式破壞，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。可見(jiàn)，調(diào)頻相當(dāng)于頻率分集。,調(diào)頻有慢跳頻（SFH）和快調(diào)頻（FFH）兩種。慢跳頻的調(diào)頻速率低于信息比特率，即連續(xù)幾個(gè)信息比特調(diào)頻一次。GSM系統(tǒng)中，傳輸頻率在一個(gè)完整的突發(fā)脈沖傳輸期間保持不變，屬于慢跳頻?？煺{(diào)頻的跳頻速率高于或等于信息比特率，即每個(gè)信息比特跳頻一次以上。,跳頻的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一是基帶跳頻，它將話音信號(hào)隨著時(shí)間的變換使用不同頻率的發(fā)射機(jī)發(fā)射，基帶跳頻適合于發(fā)射機(jī)數(shù)量較多的高話務(wù)量小區(qū)。二是射頻跳頻，又稱合成器跳頻，它是

14、話音信號(hào)使用固定的發(fā)射機(jī)，在一定跳頻序列的控制下，頻率合成器合成不同的頻率來(lái)進(jìn)行發(fā)射。,射頻跳頻比基帶跳頻有更高的性能改善和抗同頻干擾能力，但它只有當(dāng)每個(gè)小區(qū)有4個(gè)以上頻率時(shí)效果比較明顯，且所需用的合成器會(huì)引入一定的衰落，減小覆蓋范圍。,GSM系統(tǒng)的跳頻是在時(shí)頻域內(nèi)的時(shí)隙和頻隙上同時(shí)進(jìn)行的，即以一定的時(shí)間間隔不斷地在不同的頻隙上跳變。為了保證在小區(qū)內(nèi)的跳頻信道之間不發(fā)生干擾，采用正交跳頻組網(wǎng)方式，即小區(qū)內(nèi)的跳頻圖案是相互正交的，從而不會(huì)使不同頻率用戶的通信在同一個(gè)時(shí)-頻隙內(nèi)發(fā)生碰撞。由于使用了跳頻技術(shù)，從而提高了系統(tǒng)頻譜利用率。,3、直接序列擴(kuò)頻技術(shù) 直接序列擴(kuò)頻（DSSS），（Direct

15、seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有高碼率的擴(kuò)頻碼系列采用各種調(diào)制方式在發(fā)端與擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序去進(jìn)行解碼，把擴(kuò)展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調(diào)制方法，具體說(shuō)，就是將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進(jìn)行摸二加。 例如說(shuō)在發(fā)射端將1用11000100110，而將0用00110010110去代替，這個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻，而在接收機(jī)處只要把收到的序列是11000100110就恢復(fù)成1是00110010110就恢復(fù)成0，這就是解擴(kuò)。,這樣信源速率就被提高了11倍，同時(shí)也使處理增益達(dá)到10dB以上，從而有效地提高了整機(jī)倍噪比。 因此，直擴(kuò)系

16、統(tǒng)隨著偽隨機(jī)碼字的加長(zhǎng)，信噪比也會(huì)相應(yīng)的提高，但是要求的同步精度也就高，因而同步時(shí)間就長(zhǎng)。,2.1.4 分集合并技術(shù),在分集接收中，在接收端從不同的N個(gè)獨(dú)立信號(hào)支路所獲得的信號(hào)，可以通過(guò)不同形式的合并技術(shù)來(lái)獲得分集增益。 如果從合并所處的位置來(lái)看：合并可以在檢測(cè)器以前，即中頻和射頻上進(jìn)行合并，且多半是在中頻上合并；也可以在檢測(cè)器以后，即在基帶上進(jìn)行合并。合并時(shí)采用的準(zhǔn)則與方式主要可以分為三種：最大比值合并、等增益合并和選擇式合并。,假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t)，r2(t)，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為：,（式2-1）,式中，ak為第k個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。,1、最大比值合并 最大比合

17、并是在接收端有N個(gè)分集支路，經(jīng)過(guò)相位調(diào)整后，按適當(dāng)?shù)脑鲆嫦到y(tǒng)，同相相加，再送入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。利用許瓦茲不等式，設(shè)N為每支路噪聲功率，可以證明當(dāng)可變加權(quán)系數(shù)為 時(shí)，分集合并后的信噪比達(dá)到最大值,最大比合并的平均輸出信噪比、最大比合并增益分別如 （式 2-2）、（式 2-3）所示。,（式2-2）,（式2-3）,可見(jiàn)信噪比越大，最大比合并對(duì)合并后的信號(hào)貢獻(xiàn)越大；另外平均輸出信噪比隨M（分集支路數(shù)目）的增加而增加。,2 、等增益合并 等增益合并是各支路的信號(hào)等增益相加，即式(2-1)中加權(quán)系數(shù)ak=1，k=1，2，M。等增益合并后平均輸出信噪比、等增益合并增益分別如（式2-4）、（式2-5）所示。,

18、（式2-4）,（式2-5）,3、選擇式合并 選擇式合并是檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一個(gè)支路作為合并器的輸出。由式(2-1)可見(jiàn)，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項(xiàng)為l，其余均為0。選擇式合并又稱為開(kāi)關(guān)式相加。這種方式方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。,（式2-6）,（式2-7）,可見(jiàn)，每增加一條分集支路，對(duì)選擇式分集輸出信噪比的貢獻(xiàn)僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。,選擇式合并的平均輸出信噪比、選擇式合并增益分別如（式2-6）、（式2-7）所示。,假設(shè) 第k個(gè)支路的信號(hào)功率為rk2/2 噪聲功率為Nk 則第k支路的信噪比為 信噪比門限值為t，當(dāng)全部支路的信噪比都小于此值時(shí)，通信發(fā)生中斷 第k路中